はじめてのステッピングモーター (Raspberry Pi, TB6674PG, SM-42BYG011)
以前の記事「倒立振子ロボットの製作」でDCモーターを扱ってきたが、ステッピングモーターも使ってみたくなった。倒立振子をもっとキビキビ動くように、そして安定して倒立できるようにしたいのだ。
ステッピングモーターは使ったことがなかったので、動作方法を調べつつ、動作確認を行ってみたいと思う。なお、ラズベリーパイでの制御となる。
ステッピングモーターを選ぶ
ステッピングモーターは、秋月電子で手に入るものを選ぶことにした。
まずステッピングモーターの種類には、バイポーラ と ユニポーラ が存在する。
一つの巻線に対して一定方向の電流しか流さないのがユニポーラで、一つの巻線に双方向に電流を流すのがバイポーラである。
ユニポーラよりバイポーラの方が低回転時のトルクは高くなる。しかし回転速度を上げていくとユニポーラの方がバイポーラよりもトルクを高く維持できる。
これはバイポーラでは電流を双方向に流すため、周波数が高くなるにつれコイルのインダクタンスが大きくなってしまうことが原因のようだ。
バイポーラステッピングモーターSM-42BYG011の特性図より
使用用途では高速回転するつもりはないので、バイポーラのステッピングモーターを選ぶことにする。
バイポーラで選ぶとなると選択肢はしぼられ、比較的安いSM-42BYG011を購入することにした。
ステッピングモーター用のドライバICは、TB6674PGを選ぶことにした。
バイポーラ駆動方式で２相ステッピングモータを正逆転させることができる。
モーター電源は22Vまで対応しており使い勝手が良さそうだ。
モータードライバとの配線
TB6674PG の配線は次のようになる。
GNDは全てラズパイと共通につなぐ。
TB6674PG の5V電源はラズベリーパイの電源を利用し、9V電源は別途に用意した電池で供給する。
IN A、IN B、PS (Power Save)はラズベリーパイの適当なGPIOピンに接続する。
TB6674PGの端子説明
| 端子番号 | 記号 | 動作 |
|---|---|---|
| 2 | Vcc | 制御電源端子 |
| 3 | IN A | A-ch 正転/逆転信号入力 |
| 4 | GND | グランド |
| 5 | GND | グランド |
| 6 | IN B | B-ch 正転/逆転信号入力 |
| 7 | PS | パワーセーブ信号入力 |
| 8 | VS2B | スタンバイ信号入力 |
| 9 | VS1B | 高電圧電源端子 |
| 10 | φB | B 出力 |
| 11 | Φ bar B | B bar 出力 |
| 12 | GND | グランド |
| 13 | GND | グランド |
| 14 | Φ bar A | A bar 出力 |
| 15 | φA | A 出力 |
| 16 | VS1A | 高電圧電源端子 |
TB6674PGデータシートより
ステッピングモーター(SM-42BYG011)の配線は下図のように、赤緑、黄青のペアになっているので、それぞれをドライバICのA-ch、B-chに接続する。
ところで、VS2Bの真理値表は次のようになっている。
| VS2B | 動作 |
|---|---|
| L | POWER OFF |
| H | OPERATION |
一方でVS2A は、低電圧電源端子として5Vを接続しないと動作しないので注意が必要だ。
また次のように、PSとINの入力信号により出力が制御される。
TB6674PGデータシートより
基本的に PS はLowにセットして、 IN A と IN B の入力信号でステッピングモーターを制御していく。
ステッピングモーターの制御信号
ステッピングモーターを制御するには、IN A と IN B を次のように変化させれば良い。
| IN A | IN B |
|---|---|
| H | H |
| L | H |
| L | L |
| H | L |
このとき、ドライバIC TB6674PG の出力は次のようになっている。
| IN A | IN B | A | A bar | B | B bar |
|---|---|---|---|---|---|
| H | H | H | L | H | L |
| L | H | L | H | H | L |
| L | L | L | H | L | H |
| H | L | H | L | L | H |
この一連でステッピングモーターを4ステップ動かすことになる。
TB6674PG の 出力 A、A bar、B、B bar に赤緑青黄色のLEDを接続して、LEDの点灯による出力信号を確認してみた。
少しはステッピングモーターの制御信号をイメージしやすくなっただろうか？
また、モータードライバの出力をオシロスコープで観察してみると、キレイな矩形波を確認することができる。
動作確認
ステッピングモーターをドライバICに接続して、動作確認を行った。使用したPythonプログラムは次の通り。
ステッピングモーター(SM-42BYG011)は、ステップ角が1.8度となっている。よって、動かしたい角度を1.8で割って、その回数分だけ制御信号を送ることになる。
しかし上記のプログラムは、4ステップが1単位になっているので、より正確な角度で動かしたい場合は改良が必要である。
今回はあくまで動作確認なのでこれで良しとしよう。
最後に
今回ステッピングモーターを使ってみて、トルクがとても大きいことが分かった。
また、プログラミンで簡単に正確な角度に回転することができるため、いろいろな場面で活躍しそうだ。
ところで最後に一点、注意しておきたいことがある。
それは、今回使ったモータードライバでは、プログラムを走らせていないときでも常にステッピングモーターに電流が流れてしまうことだ。
よって、ステッピングモーターが発熱してしまい、バッテリーの消耗も早くなってしまう。
本番環境では、電子スイッチなどでモータードライバICの電源を制御する必要が出てくるだろうことを付け加えておく。